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繼2023年4月5日之后，中國科學技術大學又發Nature了啊，4月第2篇，今年第6篇(包括共同通訊單位)。

分離過程和電化學技術的提升，如水電解器，燃料電池，氧化還原流動電池和離子捕獲電滲析，依賴于低電阻和高選擇性的離子傳輸膜的開發。這些膜中離子的傳輸取決于整體的能量屏障，由孔隙結構和孔隙-分析物相互作用的綜合相互作用所施加。

然而，設計高效、可擴展和低成本的選擇性離子傳輸膜，以提供低能量屏障傳輸的離子通道仍然具有挑戰性。

在此，來自美國猶他州立大學的T. Leo Liu和中國科學技術大學的楊正金&徐銅文等研究者采用一種策略，利用共價鍵合的聚合物框架和具有約束性離子通道的剛性，使得大面積、獨立自立的合成膜中離子在水中的擴散極限得以接近。相關論文以題為“Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes”于2023年04月26日發表在Nature上。

選擇性離子傳輸膜是清潔能源技術的關鍵組件，包括大規模、高能效的分離和純化過程，以及各種電化學設備，如CO₂電解器和水電解器，H₂/O₂燃料電池，氧化還原流動電池，離子捕獲電滲析等。

在所有這些成熟和新興的電化學系統中，膜分離器通過傳輸離子并在兩個半電池中隔離電化學反應，其效果取決于膜分離器能否進行快速和選擇性的離子傳輸。亞納米尺度下的膜中離子傳輸取決于整體的能量屏障，這些能量屏障由自由體積空隙和孔隙-離子相互作用所決定。

因此，在電化學過程中構建具有低能量屏障的離子通道對于高性能膜的開發是至關重要的。

在各種規模的實際模塊中，由于其低成本、制造可擴展性和占地面積小等優勢，聚合物材料在選擇性離子傳輸膜中占據主導地位。傳統的聚合物材料，如全氟碳Nafion和近期開發的碳氫化合物基聚電解質，通過微相分離形成離子導電區域。

然而，這些區域定義不清，容易在水合作用后腫脹到幾納米大小，這可能有助于離子擴散，但也導致了選擇性較差（圖1a等）。新興的觀點是限制孔隙體積空隙的尺寸，即增加聚合物骨架的剛性并減少聚合物段的熱運動，以實現良好的尺寸選擇性，從而促進離子的快速傳輸。

尤其是可溶液處理的半剛性聚合物材料（即固有微孔性聚合物，PIMs；圖1b）正逐漸成為下一代分子分離和離子傳輸膜，受益于尺寸排除引起的選擇性和自由體積引起的滲透性。

然而，這些半剛性、非網絡結構的PIMs可能會老化，并且在含有高含量帶電功能基團時，可能會經歷嚴重的腫脹，導致選擇性下降。

在這里，研究者報告了一種新型的全剛性聚合物骨架膜，其中包含良好限定的離子通道（圖1c,d）。研究者的結構設計結合了以下兩種要素：(1) 在親疏水性骨架中將吸收的水隔離在微空腔中，從而在強大的亞納米尺度限制條件下促進選擇性離子傳輸；(2) 通過離子與孔壁之間的多種相互作用，基于協同作用機制，使離子接近擴散極限。

通過穩健的微孔限制和離子與膜之間的多重相互作用，實現了近乎無摩擦的離子流動。例如，鈉離子的擴散系數可達到1.18×10^?9?m²?s^-1，接近在無限稀釋下純水中的數值，并且膜的單位面積電阻僅為0.17?Ω?cm²。

研究者在快速充電的有機電化學流動電池中展示了高效的膜，其在極高電流密度下（高達500?mA?cm^-2）實現了高能量效率和高容量利用率，并且避免了交叉擴散導致的容量衰減。這種膜設計概念可能廣泛適用于各種電化學設備和精確的分子分離應用。

圖1. 具有不同離子通道的現有和擬議的離子選擇性聚合物膜的示意圖

圖2. 帶負電荷的CTF膜(SCTF)的表征

圖3. 離子在SCTF-BP膜上的傳輸

圖4. SCTF-BP膜實現堿性醌液流電池的快速充電

總之，研究者通過超酸催化的有機溶膠-凝膠過程，由具有不同電荷功能的芳香腈單體衍生的微孔型共價有機框架（CTF）膜，在一系列氧化還原化學反應中實現了高性能的鋰空氣電池（AORFBs），這歸因于微孔結構中陽離子擴散的低能壘。

考慮到構建共價有機框架的多種有機反應和單體選擇，這種設計策略可能具有廣泛適用性。研究者預計，這些CTF膜將在鋰空氣電池以外的應用領域發揮更大的潛力，例如在二氧化碳還原的電化學器件中。

雖然在SCTF-BP膜中觀察到了與三維納米通道潤濕性相關的局部無摩擦離子流現象，但需要進一步調整CTF膜的結構，以促進長程離子擴散，因為孔隙彎曲可能對此產生阻礙。

研究者在這里提出的概念將超快離子導電膜的潛力擴展到無機微孔材料（例如沸石、碳納米管、石墨烯和MXenes）以外，并為依賴次級相互作用進行精確分子分離的聚合物膜的發展提供了機會。

作者簡介

徐銅文，1989、1992獲合肥工業大學學士和碩士學位，1995年獲天津大學博士學位，1997年南開大學博士后出站加入中國科技大學工作至今，期間先后在東京大學、東京工業大學、韓國光州科技研究所訪問研究。

目前為中國科學技術大學二級教授，校特邀監察員，民建科大支部主委，博士生導師，享受國務院政府特殊津貼；他先后入選教育部“長江學者”特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，國家重點研發計劃首席科學家，國家百千萬人才工程，中科院王寬誠產研人才計劃，英國皇家化學會會士；目前擔任中國膜工業協會電驅動膜專委會主任， Journal of Membrane Science、Industrial Engineering & Chemical Research等10余種國際英文期刊的編輯/編委及《化工學報》等4種國內核心期刊編委，曾擔任國家自然科學基金委員會第13-14屆化學工程學科評審組成員，高等學校應用化學與化工基礎教學改革聯合協作組成員；在Adv Mater, Angew Chem Int Ed, J Am Chem Soc, Chem, Nat Commun, Energy environ sci, AIChE J等期刊發表論文450余篇（本領域TOP期刊J Membrane Sci~150篇，IF=8.742），SCI 他引17000+次(單篇最高引用1000+次)，H-因子69， 2014-2020連續七年入選Elsevier高被引作者名單。出版中文專著二部，主編英文專著3部，受邀撰寫中英文專著有關章節20余章。

獲得授權發明專利80余項，部分成果已經推廣應用。課題組已培養研究生和博士后130余名。以第一完成人身份獲得國家技術發明二等獎1次，省部級及行業協會一等獎4次、二等獎2次。他還先后獲得中國科大-唐立新優秀學者獎、侯德榜化工科學技術（創新）獎、合蕪蚌自主創新綜合試驗區創新人才獎、安徽省青年科技獎、全國優秀化工科技工作者、中國科大海外校友基金會優秀青年教師獎（現改名：海外校友基金會青年教師成就獎）、中國石油化工協會創新團隊獎等榮譽。

文獻信息

Zuo, P., Ye, C., Jiao, Z.?et al.?Near-frictionless ion transport within triazine framework membranes.?Nature?(2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05888-x

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05888-x

http://membrane.ustc.edu.cn/2022/0117/c30195a544191/page.htm

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